氫彈想必你一定非常的熟悉,我們都知道它的原理是核聚變反應(yīng)。
可為什么氫彈是一次性的,一下子全炸了。但同樣是利用核聚變才能燃燒的太陽(yáng),沒有一下子全炸了?
今天,我們就來具體聊一聊這到底是咋回事?
很早以前就有很多人在思考太陽(yáng)到底是咋燃燒,有人猜是燒煤。后來隨著人類對(duì)于原子的結(jié)構(gòu)越來越了解,尤其是對(duì)原子核及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的了解,天文學(xué)家愛丁頓就猜測(cè),太陽(yáng)的燃燒機(jī)制是核聚變反應(yīng) 。
但當(dāng)時(shí)的科學(xué)家對(duì)這種猜測(cè)不屑一顧。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)知道太陽(yáng)內(nèi)部主要是氫,還有一部分是氦。如果太陽(yáng)要發(fā)生核聚變反應(yīng),那就說明太陽(yáng)正在進(jìn)行氫核聚變。
問題來了,按照理論,要發(fā)生氫核聚變的條件特別苛刻,溫度至少要達(dá)到一億度。問題是太陽(yáng)內(nèi)核的溫度只有1500萬度,雖然還有250萬個(gè)大氣壓,但這也根本不滿足氫核聚變的條件。所以,這一度陷入了僵局。
不過好在,那個(gè)年代量子力學(xué)得到大力的發(fā)展,最終科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了為什么太陽(yáng)在1500萬度,250萬個(gè)大氣壓的情況下也能氫核聚變。
這個(gè)過程大致是這樣,按照目前主流的太陽(yáng)起源假說,太陽(yáng)誕生于一大片分子云的引力坍塌。在引力的作用下,分子云聚合成了太陽(yáng)。
要知道太陽(yáng)占據(jù)整個(gè)太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%,所以它自身引力巨大,太陽(yáng)內(nèi)核的物質(zhì)其實(shí)受到了巨大的壓力,因此太陽(yáng)內(nèi)核的溫度可以達(dá)到1500萬度,250萬個(gè)大氣壓。
其次,由于微觀世界的隧穿效應(yīng),意思是:
像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為,盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。
說白了就是原來在宏觀世界很難做成的事情,比如,翻過一座山,你需要出工出力,否則就過不去,但是在微觀世界,即使沒有出工出力,也有一定概率發(fā)生。
到底是什么阻礙了太陽(yáng)系內(nèi)核發(fā)生核聚變反應(yīng)呢?
這里我們要先對(duì)太陽(yáng)的狀態(tài)有一個(gè)了解,它其實(shí)是一個(gè)等離子體。什么是等離子體呢?我們都知道物質(zhì)是由分子,原子構(gòu)成的。但其實(shí)原子還是可以繼續(xù)往下分。
由于太陽(yáng)溫度極其高,導(dǎo)致構(gòu)成原子的電子不在被束縛在原子內(nèi),電子和原子核可以到處亂撞,就像一鍋粒子粥。等離子態(tài)并不是液態(tài),它區(qū)別于三態(tài)的相態(tài)。
上文也說到太陽(yáng)含氫量最高,還有一部分氦,剩余的元素極其少。這就帶來一個(gè)問題,太陽(yáng)內(nèi)部主要是電子和氫原子核(質(zhì)子),也就是說太陽(yáng)主要是一鍋電子和質(zhì)子的粒子粥。
核聚變反應(yīng)說白了就是要讓原子核之間發(fā)生反應(yīng),氫核聚變其實(shí)就是質(zhì)子和質(zhì)子之間要發(fā)生反應(yīng)。但是質(zhì)子是帶正電同性電荷相斥,這個(gè)庫(kù)倫力就是阻礙太陽(yáng)發(fā)生核聚變的主要原因。
正是隧穿效應(yīng)的存在,使得一對(duì)質(zhì)子發(fā)生核聚變的概率大概是十億年能發(fā)生一次。這個(gè)概率看起來很低,可是太陽(yáng)夠大,質(zhì)子數(shù)量特別多,所以發(fā)生核聚變反應(yīng)是必然的。
當(dāng)核聚變反應(yīng)被點(diǎn)燃之后,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)外的壓力,這個(gè)壓力可以和引力形成動(dòng)態(tài)平衡。
具體來說是這樣的,當(dāng)對(duì)外壓力占據(jù)上風(fēng)時(shí),內(nèi)核受到的壓力就會(huì)減弱,溫度和壓強(qiáng)就會(huì)下降,這時(shí)候核聚變的劇烈程度就會(huì)被削弱,對(duì)外壓力減弱,逐漸和引力實(shí)現(xiàn)再一次平衡。
同理,如果引力占據(jù)上風(fēng),太陽(yáng)內(nèi)核溫度和壓強(qiáng)就會(huì)特別高,這時(shí)候就會(huì)使得核聚變變得劇烈,產(chǎn)生更大的對(duì)外壓力來和引力抗衡。
不過,剛才我們這是宏觀地來看,從微觀上看,溫度變高會(huì)使得分子的運(yùn)動(dòng)更加劇烈,壓強(qiáng)變大的效果也是類似的,本質(zhì)上溫度高和壓強(qiáng)大,都會(huì)提高粒子相遇的概率,也就是提高發(fā)生反應(yīng)的概率,宏觀上就是使得反應(yīng)變得劇烈。
所以,太陽(yáng)沒有一下子全炸了的原因,首先是因?yàn)闇囟群蛪簭?qiáng)不夠,在微觀上是因?yàn)閹?kù)倫斥力的阻礙。而量子隧穿效應(yīng)只能使得核聚變反應(yīng)只能緩慢進(jìn)行。
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